CN101495742A - 用于活塞的冷却通道风扇组件 - Google Patents

Abstract

一种用于内燃机的活塞，该活塞限定了运动轴线并包括在活塞内限定的环形冷却通道。冷却通道绕活塞的运动轴线沿环向延伸。多个环向间隔开的叶片被设置在冷却通道内。每个叶片都在冷却通道内被倾斜定向，以绕活塞的运动轴线沿环向引导冷却液。

Description

用于活塞的冷却通道风扇组件

技术领域

本发明总体上涉及一种用于内燃机的活塞，更具体地涉及一种具有内部冷却通道的活塞，在该通道内具有一种用于改善冷却液在冷却通道内的流动和性能的结构。

背景技术

工业中涉及的那些应用寻求一种高效、轻质和紧凑的具有增强马力的内燃机。为了实现该目标，有必要致力于发动机的机械极限推进发动机设计。增加燃烧室内的燃烧压力需要更高的燃烧温度、更快的活塞速度和增大的机械作用力。因此，活塞和相关部件被置于更大的机械应力之下。

为了在这样的环境中令人满意地工作和免于损坏，有必要提供一种活塞，其具有改进的冷却能力、增强的强度，和用于降低其质量的短压缩高度。这样的活塞要易于加工并具有高质量也是很重要的。

已知一种具有封闭的活塞冷却通道的活塞。授予Moebus的美国专利No.4,581,983中给出了这种活塞的一个例子。Moebus的专利中的封闭的活塞冷却通道是通过将活塞的顶部沿平的表面焊接至活塞的底部上而提供的。活塞的顶部和底部均具有位于其中的冷却通道部分。该活塞具有过高的压缩高度，使其较重而且不适合用于高速操作。该活塞还难于加工并且不具有足以承受较高的燃烧室压力下增加的应力的强度。在Moebus的专利中设置的封闭的活塞冷却通道没有提供足以允许在封闭的活塞冷却通道内充分摇动冷却液的高度。因此，活塞的冷却效率不够高。

一种增加机油或另一种冷却液和活塞内部之间接触的方法是通过增加活塞内部的表面积从而提供更大的区域以供机油接触且机油能够从中吸收热量。授予Holt的美国专利No.2,523,699公开了从活塞裙部的内壁向内突出的一组肋。这些肋在机油通过活塞的往复运动而被摇动时增加了与机油相接触的活塞散热面积。然而，尽管肋增加了可以与机油接触的活塞表面积，但是通道内机油的速度和方向是基于活塞的速度和定向的。另外，Holt的专利中提出的复杂的活塞设计非常难于通过锻造或机械加工工艺生产。因此，Holt的专利中公开的活塞只对于使用铸造活塞才有实际意义，而铸造可能会在铸造产品内引入杂质。这些杂质会降低产品的密度并因此降低产品在高温和高压下的变形阻力。

授予Opris的美国专利No.6,532,913示出了一种具有从活塞的上部内表面延伸的环形散热片的活塞。但是，连续的环形散热片以类似于Holt的专利中的方式发挥作用，也就是通过增加活塞内表面上的表面积来散热。尽管叶片增加了活塞的表面积以有助于散热，也增加了可以和机油相接触的活塞的表面积，但是通道内机油的速度和方向仍然是基于活塞的速度和定向。因此，随着活塞沿轴向运动，大部分机油也会沿轴向流动。尽管流体位于机油通道内，但是散热片对机油的流动只有很小的影响或者没有影响。

发明内容

本发明旨在克服上述的一个或多个问题。

在一方面，公开了一种用于内燃机的活塞。该活塞限定了运动轴线并包括在活塞内限定的环形冷却通道。冷却通道绕活塞的运动轴线沿环向延伸。多个环向间隔开的叶片被定位在冷却通道内。每个叶片都在冷却通道内倾斜定向，以绕活塞的运动轴线沿环向引导冷却液。

在另一方面，公开了一种内燃机。该发动机包括具有气缸的气缸体，该气缸限定了活塞可滑动地定位在气缸内的运动轴线。该活塞具有限定出环形冷却通道的内部表面。该发动机还包括用于将冷却液供应到冷却通道内的润滑和冷却系统。多个环向间隔开的叶片被定位在冷却通道内。每个叶片都在冷却通道内倾斜定向，以绕活塞的运动轴线沿环向引导冷却液。

在另一方面，公开了一种制造活塞的方法。该方法包括以下步骤：提供一种具有限定出基本环形的冷却通道的内部表面的活塞，提供一种具有多个叶片的风扇组件，将风扇组件定位在冷却通道内，并将风扇组件连接至活塞的内部表面。内部表面具有内侧壁、外侧壁和上壁部分。叶片在冷却通道内环向间隔开，其中每个叶片都在冷却通道内倾斜定向，以绕活塞的运动轴线沿环向引导冷却液。

附图说明

图1是发动机的侧视图。

图2是沿图1中的线2-2所截取的发动机的一部分的剖视图。

图3是图2中发动机内的活塞的放大视图。

图4是和图3中所示活塞一起使用的风扇组件的透视图。

图5是根据一种替代实施方式的活塞的一部分的剖视图。

图6是根据一种替代实施方式的活塞的一部分的剖视图。

图7是根据一种替代实施方式的活塞的一部分的剖视图。

具体实施方式

现参照图1，示出了内燃机10的侧视图。发动机10包括气缸体12、连接至气缸体12的气缸盖14、连接至气缸盖14的阀盖16以及润滑和冷却系统(以30来示意性地表示和总的示出)。这些部件都是本领域普通技术人员所能理解的设计形式。

气缸体12包括顶部安装表面18、底部安装表面20和位于顶部安装表面18和底部安装表面20之间的多个气缸22。在图1所示的实施方式中，六个气缸22相对于顶部安装表面18被等距、直列且竖直地定位。但是，气缸体12也可以是任何其他的设计形式，例如“V”型或径向排列，并且可以具有任意数量的气缸22。如图2所示，每个气缸22限定了气缸壁24和基本平行于气缸壁24并且还与气缸22的外径基本同心的运动轴线8。在图2所示的发动机10中，气缸套25被设置在气缸22内。但是，本申请中介绍的设备和方法也可以被用于不包含气缸套的发动机。气缸体12具有多条互连的通道(以32示意性地表示)，以使来自润滑和冷却系统30的润滑和/或冷却介质例如机油(未示出)能够流动。固定至气缸体12并连接至冷却通道32的是多个冷却液引导喷嘴26(在图2中只示出了其中的一个)。气缸体12还具有油盘28，如图1所示，油盘28连接至气缸体12。

图2中还示出了可滑动地设置在气缸体12的气缸22内的活塞34。活塞34通常是具有顶部38和销部40的圆柱形结构。在图2中，活塞34被示出为整体式活塞。但是，活塞34可以是任意的常规活塞类型，包括铰接活塞或组合活塞。活塞34用于沿上述的运动轴线8往复运动。活塞34、气缸壁24和气缸盖14限定了燃烧区域36。

现参照图3，示出了活塞34的放大的剖视图。活塞34的顶部38进一步由凹腔42、周边部分44和环形外壁46界定。与周边部分44连接的环形凹腔部分48限定了凹腔42。环形凹腔部分48从周边部分44径向向内延伸并连接至构成顶点的锥形部分50。在图3所示的活塞34中，周边部分44、环形凹腔部分48和锥形部分50一体成型。如图3所示，从锥形部分50的顶点到气缸盖14的距离通常大于从周边部分44到气缸盖14的距离。但是，应该理解，任何合适的活塞设计形式都可以被使用而并不背离本发明的保护范围。在图3中还可以看出，环形凹腔部分48具有内表面，以下称为活塞34的内部表面59的内侧壁52。内侧壁52具有下部64和上部65。

另外，图3示出了周边部分44从凹腔42向气缸壁24径向向外延伸。环形外壁46从周边部分44向销部40径向向外延伸。环形外壁46具有内表面和外表面56。环形外壁46的外表面56具有密封部分60，在密封部分60中可以在活塞34和气缸壁24之间以任何常规方式提供密封件，例如多个活塞环62。内表面以下被称作活塞34的内部表面59的外侧壁54。外侧壁54具有下部66和上部67。周边部分44具有独立于燃烧区域36的内表面。周边部分44的内表面以下被称作活塞的内部表面59的上壁部分58。上壁部分58被连接至内侧壁52和外侧壁54并与其形成一体。上壁部分58、内侧壁52和外侧壁54基本上限定了活塞34的整个内部表面59。

在图3所示的活塞34的实施方式中，环形盖板84被连接至活塞顶部38的下表面78。如图所示，盖板84基本上覆盖并由此限定出冷却通道94的下部68。盖板84具有至少一个开口，而在图示的实施方式中，具有穿过板84形成的一个接收口90和一个排出口92。在本文中公开的所有实施方式中都可以使用具有任意数量开口的盖板84。盖板84和活塞34的内部表面59基本上限定了冷却通道94。尽管冷却通道94被示出为基本环形的，但是可以理解冷却通道也可以是分段式的，或者被分为不是绕活塞34的运动轴线8基本上沿环向延伸的多个部分。类似地，盖板84可以是环形的，或者可以用多个单独的半环形盖板制成。还应该理解，尽管盖板84在图3中被示出为限定了冷却通道94的下部68，但是盖板在本文中介绍的任意实施方式中都不是必需的。特别地，不具有盖板的实施方式也是可以想到的，例如类似于(前文中列出的)Moebus的专利中示出的封闭的冷却通道的实施方式。在这样的实施方式中，或本文中介绍的任意实施方式中，活塞也可以被横向钻孔以有助于活塞内冷却液的流动。

还是如图3所示，在活塞34内组装以及在图4中单独示出的是风扇组件70。在图3中，为了图示清楚的目的，只在冷却通道94的一侧示出了风扇组件70。风扇组件70是包括环形带72和绕环形带72间隔开的多个叶片74的结构。在图示的实施方式中，叶片74与环形带72整体地形成。但是，应该理解，叶片74也可以被单独连接至环形带72。能够看出，叶片74相对于环形带72的方向倾斜定向。这样设计的目的将在下文中进行更详细的介绍。在图示的实施方式中，环形带72的尺寸和形状是使得带72适合装在冷却通道94内，并且更具体地，是使带72能够被连接至内部表面59的内侧壁52(如图3所示)。如图2和图3所示，叶片74向内部表面59的外侧壁54突出。

在图4中，每个叶片74都具有一定的宽度w。在图3所示的组装图中，能够看出叶片74横过冷却通道94的宽度W延伸。但是，可以理解的是，如果需要的话，叶片74的宽度w可以小于冷却通道94的宽度W。另外，每个叶片74都具有大致从冷却通道94的下部68延伸到冷却通道94的上部76的长度1。但是，同样可以理解，每个叶片74的长度1可以大于或小于冷却通道94的高度H。具体地，例如如果没有盖板84并且叶片74在活塞顶部38的下表面78下方延伸，那么叶片74的长度1可以大于冷却通道94的高度H。环形带72和叶片74也可以具有任意厚度。环形带72和叶片74的厚度可以基于任意结构或机械要求以及根据本发明的指定应用的需要确定。而且，每个叶片74也可以具有基本平的引流表面，或者具有杯形、弯曲或弧形的引流表面。

风扇组件70可以使用任何合适的工艺例如铸造、锻造、冲压或焊接制成。另外，风扇组件70可以用任何合适的材料例如钢、铝、钛、复合材料、塑料、陶瓷、金属合金等制成。但是，可以理解，风扇组件70应该用能够承受活塞34内的环境的材料制成。例如，风扇组件70应该被设置为能够承受活塞34的运动和在冷却通道94内所经历的温度。也就是说，风扇组件70应该能够承受活塞34所经历的温度，特别是被传递至冷却通道94和传递至流过冷却通道94的冷却液的温度。

工业实用性

冷却通道，例如用94标记的冷却通道，通常是现有技术中公知的。通过将机油或其他的冷却液喷射到活塞顶部38的下表面78上来改善活塞34的冷却，其中下表面78不接触燃烧环境。在图3示出的实施方式中，冷却通道94被形成在活塞34内。冷却液通过冷却液引导喷嘴26(如图2所示)被喷向盖板84内的接收口90。冷却液可以通过被示出为和接收口90的位置相对设置的排出口92离开冷却通道94。但是，应该理解，可以穿过盖板84形成任意数量的接收口90和排出口92。在该操作期间，一些冷却液会聚集在冷却通道94内。随着聚集的冷却液响应于活塞34沿运动轴线8的往复运动而流动，来自活塞34的热量即传入冷却液内并降低了活塞34的温度。

在未采用本发明的活塞内，聚集的冷却液主要沿活塞的运动轴线8流动。但是，根据本文中公开的实施方式，活塞34的冷却通道94内的冷却液被通过叶片74绕活塞34的运动轴线8沿环向进一步引导，如图4中的箭头80所示。因此，叶片74的使用可以增加冷却液在冷却通道94内的流速。冷却液沿活塞34的内部表面59的流速的增加能够允许更多的冷却液接触到更多的内部表面59，并因此能够增加来自活塞34的总散热。

尽管风扇组件70的叶片74被示出为沿第一方向倾斜，但是应该理解，叶片74也可以沿相反的方向或沿任意其他方向倾斜定向(例如朝向内侧壁52或外侧壁54倾斜)。另外，如果需要，各个叶片74可以相对于彼此以不同的角度定向。如图3所示，环形带72被连接至内侧壁52的下部66。应该理解，环形带72和叶片74可以被设置为连接至内侧壁52的上部65，使得叶片74可以从环形带72“垂下”。

在风扇组件的另一种实施方式中(未示出)，叶片的定向在发动机运行期间可以基于转速、温度或其他工作条件而改变。叶片在运行期间的这种连续的再构造可以用本领域普通技术人员能够理解的类似于喷气发动机中的叶片的方式并在尺寸和结构上进行适当的设计变更而实现。

在图5所示的本发明的一种替代实施方式中，示出了风扇组件71的一种替代实施方式。风扇组件71也包括环形带73和多个叶片75。活塞34的其余部分基本上与前面示出和介绍的活塞34相同，因此相同的部分用相同的附图标记表示。本实施方式中的风扇组件71被转化(inverted)为使得环形带73的尺寸和形状能够使带73适合装入冷却通道94内，并且更具体地，使带73被连接至内部表面59的外侧壁54。在该实施方式中，叶片75向内部表面59的内侧壁52突出。环形带73被设置为连接至外侧壁54的上部67或下部66。

还应该理解，环形带72可以用任何合适的方式连接至活塞34的内部表面59。例如，环形带72可以抵靠内部表面压装，或者被焊接、使用任意类型的紧固件固定，或者螺纹连接到活塞34的内部表面59上。作为替代方案，风扇组件70可以被松散地设置在冷却通道94内并通过盖板84保持在冷却通道94内。盖板84也可以和本文中介绍的任意其他的连接机构一起使用，或者以本领域普通技术人员能够想到的其他方式使用。还应该理解，这些连接方法都可用于图5中所示的风扇组件71的实施方式。

图6中所示是本发明的一种替代实施方式，示出了具有风扇组件97的活塞96的剖视图，风扇组件97具有设置在活塞96中的冷却通道100内的多个叶片98。在本实施方式中，倾斜定向使得风扇组件97能够绕活塞96的运动轴线8沿环向引导冷却液的叶片98，被与活塞96的冷却通道100的内部表面102整体地形成。作为替代方案，叶片98可以被直接连接至冷却通道100的内部表面102。例如，叶片98可以被锻造在冷却通道100内、机械加工在冷却通道100内(对于铝制或钢制活塞)、铸造在冷却通道100内(对于铝制活塞)，或焊接至冷却通道100的内部表面102(对于铝制或钢制活塞)。在任意的这些实施方式中，叶片98都不是被支撑在环形带上而是从活塞96的内部表面102直接延伸。作为替代方案，每个叶片98都可以被单独地或者成组地连接至与冷却通道100的内部表面102相连接的局部带(未示出)。和以上介绍的各实施方式一样，叶片98也可以从内侧壁104(上部或下部)、外侧壁106(上部或下部)，或者活塞96的内部表面102的上部108延伸。

特别地，图7中所示是本发明的一种替代实施方式，示出了具有风扇组件111的活塞110的剖视图，风扇组件111具有设置在活塞110中的冷却通道100内的多个叶片112。活塞110的结构除了上述部分以外基本与活塞96相同。其余部件具有相同或类似的被类似标记的结构。在图示的实施方式中，叶片112被直接连接至冷却通道100的内部表面102。如图所示，叶片112直接从活塞110的内部表面102延伸。应该理解，成型或连接机构可以和以上参照图7所示实施方式介绍的机构相同。

关于以上图示和介绍的任意实施方式，风扇组件的并且更具体地说是叶片的具体位置、尺寸或定向将通过考虑各种因素而确定。参照图1-4所示的实施方式，定位风扇组件70的一个因素是活塞34内需要从中散发热量的位置。例如，如果活塞34的环形凹腔部分48的温度需要被降低，那么叶片74的尺寸和定向可以被选择为确保冷却液会接触到环形凹腔部分48能够影响正常散热的区域。影响叶片74的尺寸和定向的另一个因素是要从活塞34散发的热量大小。具有较大表面积的叶片74能够从活塞34中带走更多热量。另外，薄叶片74与厚叶片相比能够驱走更多热量。通过引入风扇组件70和叶片74而加在活塞34上的压力大小是影响叶片位置和尺寸的另一个因素。活塞34的物理尺寸也会影响风扇组件70和叶片74的尺寸、位置和定向。如果活塞34含有盖板84，那么风扇组件70和叶片74的最优尺寸将会取决于封闭冷却通道94的尺寸。叶片74的尺寸和叶片74从内部表面59突出的角度(以及距离)可以被修改以确保风扇组件70和叶片74不会过于阻碍冷却液流向内部表面59的其他部分并由此不利地影响活塞34的冷却。

将风扇组件70加至活塞34的内部表面59影响了活塞34经受过高温度和压力的各部分的热量衰减。冷却液例如机油流过发动机10的冷却通道32。冷却液引导喷嘴26将冷却液喷到活塞34的内部表面59上。如果活塞34具有盖板84，冷却液通过接收口90进入冷却通道94并接触到内部表面59和风扇组件70。冷却液从内部表面59和风扇组件70吸收热量。因为风扇组件增加了冷却液接触活塞34的表面积，所以这样吸收的热量要大于没有风扇组件70的活塞34内吸收的热量。另外，风扇组件70在冷却通道94内的位置允许风扇组件70从活塞34的特定区域带走热量和引流至此。盖板84将冷却液保留在冷却通道94内，随着冷却液通过活塞34的往复运动反复地与风扇组件70和内部表面59接触而使冷却液得以从内部表面59吸收更多的热量。如上所述，倾斜的叶片74、98可以通过绕环形冷却通道94引导冷却液而增加冷却液在冷却通道94内的流速。冷却液沿活塞34的内部表面59的流速的增加可以允许更多的冷却液接触到内部表面59，并由此可以增加来自活塞34的总散热。冷却液通过排出口92流出冷却通道94。在流出冷却通道94之后，冷却液进入油盘28并通过发动机10再循环和由发动机冷却系统30以任意合适的方式进行冷却。

如果活塞34不包括盖板84，那么冷却液就被简单地直接喷到内部表面59和风扇组件70上。冷却液随即从内部表面59和叶片74、98吸收热量。由于叶片倾斜定向，冷却液能够在落回油盘28内之前被潜在地保留在冷却通道94内较长时段。因此，能够实现从活塞34带走更多热量而无需盖板84这样的附加结构。冷却液随即通过发动机10再循环并由发动机冷却系统用常规方式冷却。应该理解，尽管已经参照图1-4所示的实施方式介绍了风扇组件70的上述操作，但是其余附图中所示实施方式的操作也大体类似。

根据本文中图示和介绍的实施方式及其等同物，本发明的设备和方法可以被用于任何类型的活塞，包括铸造、锻造、合成和机械连接而成的活塞。设备的可调节尺寸和位置允许从活塞内的特定目标区域驱散热量。本发明的其他方面、目标和优点可以通过对附图、公开文本和所附权利要求书进行研究而获得。

应该理解，上述说明内容只是为了说明的目的，而不是以任何方式限制本发明的保护范围。因此，本领域普通技术人员可以通过对附图、公开文本和所附权利要求书进行研究而获得本发明的其他方面、目标和优点。

Claims (23)

1.一种用于内燃机的活塞，该活塞限定了运动轴线并包括：

在所述活塞内限定的冷却通道，所述冷却通道绕所述活塞的运动轴线沿大致环向延伸；和

多个环向间隔开的叶片，所述叶片定位在所述冷却通道内；

其特征在于，每个叶片都在所述冷却通道内被倾斜定向，以绕所述活塞的运动轴线沿环向引导冷却液。

2.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述多个叶片均被支撑在环形带上，所述环形带的尺寸和形状能够使所述环形带装入所述冷却通道内。

3.根据权利要求2所述的活塞，其特征在于，所述叶片被整体形成在所述环形带上。

4.根据权利要求3所述的活塞，其特征在于，所述环形带被压装，并且使之抵靠所述冷却通道的内侧壁和外侧壁之一。

5.根据权利要求4所述的活塞，其特征在于，所述环形带被额外地用盖板保持就位。

6.根据权利要求3所述的活塞，其特征在于，所述环形带通过焊接、螺纹连接或紧固件连接中的一种方式被连接至所述冷却通道的壁部。

7.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，每个叶片都从所述冷却通道的内侧壁和外侧壁之一直接延伸。

8.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述叶片具有基本平的引流表面。

9.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，所述叶片具有弧形的引流表面。

10.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，每个叶片都具有基本上跨越所述冷却通道的宽度延伸的宽度。

11.根据权利要求1所述的活塞，其特征在于，每个叶片都具有基本上从所述冷却通道的下部延伸到所述冷却通道的上部的长度。

12.根据权利要求1所述的活塞，还包括基本盖住所述冷却通道的下部的环形的盖板，所述盖板具有至少一个穿过所述盖板形成的开口。

13.一种内燃机，包括：

具有气缸的气缸体，所述气缸限定了运动轴线；

可滑动地定位在所述气缸内的活塞，所述活塞具有限定出大致环形的冷却通道的内部表面，并能够沿所述运动轴线运动；

用于将冷却液供应到所述冷却通道内的润滑和冷却系统；和

定位在所述冷却通道内的多个环向间隔开的叶片，其中每个叶片都在所述冷却通道内倾斜定向，以绕所述活塞的运动轴线沿环向引导所述冷却液。

14.根据权利要求13所述的内燃机，其特征在于，所述多个叶片均被支撑在环形带上，所述环形带被连接至所述活塞的内部表面的内侧壁和外侧壁之一。

15.根据权利要求14所述的内燃机，其特征在于，所述环形带被压装，并且使之抵靠所述活塞的内部表面的内侧壁和外侧壁之一。

16.根据权利要求15所述的内燃机，其特征在于，所述环形带被额外地用盖板保持就位。

17.根据权利要求13所述的内燃机，其特征在于，所述叶片从所述活塞的内部表面的内侧壁和外侧壁之一直接延伸。

18.根据权利要求13所述的内燃机，包括定位在所述冷却通道的下部上方的环形的盖板，所述盖板具有至少一个穿过所述盖板形成的开口；

其中，所述盖板和所述活塞的内部表面进一步限定出所述冷却通道。

19.根据权利要求13所述的内燃机，其特征在于，每个叶片都具有基本平的引流表面。

20.根据权利要求13所述的内燃机，其特征在于，所述叶片具有弧形的引流表面。

21.一种制造活塞的方法，所述方法包括：

提供一种具有内部表面的活塞，所述内部表面具有内侧壁、外侧壁和上壁部分，所述内部表面进一步限定出基本环形的冷却通道；

提供一种具有多个叶片的风扇组件，所述叶片在所述冷却通道内环向间隔开，其中每个叶片都在所述冷却通道内倾斜定向，以绕所述活塞的运动轴线沿环向引导冷却液；

将所述风扇组件定位在所述冷却通道内；并

将所述风扇组件连接至所述活塞的内部表面。

22.根据权利要求21所述的方法，其特征在于，将所述风扇组件连接至所述内部表面的步骤包括压装、焊接、螺纹连接或紧固件连接中的一种方式。

23.根据权利要求21所述的方法，包括连接定位在所述冷却通道的下部上方的盖板的步骤，所述盖板具有至少一个穿过所述盖板形成的开口；

其中所述盖板和所述活塞的内部表面在所述活塞内限定出所述冷却通道。

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